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1、沥青混合料的配合比设计,辽宁省交通规划设计院2011-03,主要目的,依据沥青混凝土路面结构各层的路用性能路面结构层组成材料选用设计矿料级配设计沥青用量及最大理论密度设计沥青混凝土性能验证,路面设计的总体思想,沥青路面的病害分类：结构性破坏 路面结构承载力不足（弯沉）疲劳开裂（拉应力）功能性破坏 裂 缝横缝、纵缝、网裂 变 形 类车辙、推移、拥包 表面损坏水损害（泛油、推移、坑洞）、桥面铺装脱落,我国沥青路面使用状况与破坏模式,路面设计首先要防止发生的病害,路面水损害路面高温车辙路面耐久性路面低温开裂,沥青路面的功能设计,表面层：抗冻（也是良好的抗渗水性能）。雨天行车安全。抗车辙（高温稳定性能
2、）。抗滑。温度变化的抗疲劳。抗沥青剥落性能。抗磨耗。抗老化。路面平整性。防噪。中面层：抗渗水。抗车辙。抗沥青剥落。抗温度变化的抗疲劳性能。,沥青路面的功能设计,下面层：排水性能。防止和减少半刚性基层反射裂缝性能。抗车辙性能。抗沥青剥落性能。抗疲劳。,永久性路面的设计思想,由于沥青混凝土路面的最大剪应力发生在415cm之间，夏季时沥青混凝土路面高温持续时间最长也发生在415cm，所以对底面层沥青混凝土的抗车辙性能和抗疲劳性能提出比较高的要求，美国永久性路面结构提出面层为48cm高性能沥青混合材料、中间层为1018cm高模量抗车辙材料、基层为810cm柔性抗疲劳材料的设计理念。,公路地段位置不同，
3、路用性能指标要求差异很大,隧道内的特点是温度变化很小，在隧道内的沥青混凝土路面和正常段的路用性能指标要求应该有很大差别。上坡段重车上坡费力，车速是平地路段的1/31/5，因而车辆荷载的作用时间是普通段的35倍，而且对路面的作用力也比普通段落大的多。桥面沥青混凝土水破坏和失稳破坏比正常路段要严重的多，这是因为桥面沥青混凝土所承受的剪应力要比正常段落大。,第五章 沥青混合料的组成结构和强度,1.沥青混合料的组成结构悬浮密实结构 骨架空隙结构 骨架密实结构,沥青混合料组成结构与级配的关系,连续开级配骨架空隙结构,连续密级配悬浮密实结构,间断级配骨架密实结构,沥青混合料的组成结构,a)密实-悬浮结构；
4、b)骨架-空隙结构；c)密实-骨架结构 连续密级配 连续开级配 间断级配,沥青混合料的组成结构,悬浮密实结构 级配特点 连续型密级配，细集料多，粗集料较少，悬浮于细集料中，不能形成嵌挤骨架AC型是典型的悬浮密实结构使用特点 密实耐久、高温稳定性较差、表面构造较小,不同组成结构沥青混合料的特点,沥青混合料的组成结构,骨架空隙结构 级配特点：连续开级配，粗集料较多，细集料较少，不足以充分填充粗骨架空隙 沥青碎石混合料AM（压实空隙率1015%）开级配磨耗层混合料OGFC（压实空隙率20%以上）使用特点：高温稳定性较好 压实后剩余空隙率较大，渗透性较大，耐久性较差 OGFC需要使用高粘度沥青,沥青混
5、合料的组成结构,骨架密实结构级配特点：间断密级配，粗集料形成骨架，细集料充分填充骨架空隙，形成密实、骨架嵌挤结构沥青玛蹄脂碎石SMA（压实空隙率35%）使用特点 高温稳定性好、良好的表面纹理特征、抗滑性能好，良好的低温抗裂性、抗反射裂缝的能力，良好的耐久性,沥青混合料的组成结构,三种结构类型混合料的级配组成,沥青混合料的组成结构,马歇尔设计方法(MARSHALL),马歇尔混合料设计方法原型是在1939年前后由工程师布鲁斯马歇尔（Bruce Marshall）在美国密西西比公路局开发的，后由美国陆军工兵部队水道试验室（WES）应用马歇尔仪进行一系列室内与现场试验研究，对该法进行改进与完善，作为正
6、式方法固定下来，并应用于机场与高速公路建设。由于便于应用，在第二次世界大战后，在世界范围内普遍得到推广。,迄今世界上沥青混合料设计方法以马歇尔法应用最普遍。截至1993年止美国大约75%的州采用马歇尔法。马歇尔混合料设计法在欧洲应用很广，德国各种沥青混合料设计。日本亦采用马歇尔法进行混合料设计。我国沥青混合料设计亦采用马歇尔法。,马歇尔设计方法(MARSHALL),马歇尔设计方法,马歇尔设计方法对混合料的密度、空隙率、矿料间隙率等指标有明确的要求。可是国内外研究成果均表明，这些指标与路用性能指标有较大的差距。在试件成型方面，马歇尔方法击实次数与实际路面材料的碾压功能和交通量大小都没有内在联系，
7、马歇尔击锤的冲击力与车辆接地压强存在巨大的差异，马歇尔试模对沥青混合料的约束条件也与路面材料的受力条件不同，马歇尔的冲击压实方法不利于集料的定向重排，造成混合料密度较低，用它控制路面施工会导致路面材料密度偏小，空隙率过高。沥青混合料密度低和级配不合理的直接后果是导致材料强度低、设计的沥青用量大，在行车荷载作用下易产生进一步的压实、追密，从而使路面容易产生车辙、泛油。,Superpave混合料设计方法,Superpave混合料设计也是以体积参数为核心的设计方法，包括以下5个方面：胶结料与集料选择设计。矿料级配设计。分析每种试验混合料的体积特性。选用“最佳”试验混合料作为设计集料结构；对设计集料结
8、构在几个不同沥青用量下压实试件，以确定设计沥青用量。沥青混合料路用性能验证。,Superpave混合料设计方法,与马歇尔试验方法的主要不同之处在于：沥青胶结料选择充分考虑了使用地区的气候、交通条件以及同条高速公路不同位置。对集料结构进行了研究，确定了集料级配控制点和限制区，使集料级配形成骨架密实结构。试件压实和现场施工压实的一致性。以旋转压实方式成型试件，且压实功能不固定，因交通量水平、气温而变。把空隙率作为试件乃至混合料设计的控制性指标。,矿料表面裹覆油膜厚度法,道理是矿料表面裹覆油膜厚度是决定沥青路面技术性能的关键，若矿料表面裹覆的沥青油膜厚度稍厚，则沥青混合料中的游离沥青增多，是造成夏季
9、高温时节沥青路面变形、车辙的最不利因素，同样矿料表面裹覆的沥青油膜厚度过薄，会使沥青混合料中矿料间粘结力降低。对已配好的混合料，计算单位重量矿料的表面积，根据油石比计算矿料表面裹覆油膜厚度，并同控制矿料表面裹覆油膜厚度指标比较和调整。在现行规范中还没有控制矿料表面裹覆油膜厚度指标，当然这个控制指标和和沥青混凝土的类型有关，和矿料的种类有关。,VCADRC矿料级配检验方法,在击实沥青混合料试件中，4.75mm颗粒径以上的粗集料形成一个骨架，骨架以外的空隙率占整个试件的体积的百分数，称为粗集料骨架间空隙率用VCAmix表示。如果把混合集料中小于4.75mm的细料筛除，将大于4.75mm的粗集料装入
10、容器桶中捣实后，测定出紧密状态粗集料的空隙率为VCADRC。如果VCAmix比VCADRC大就说明细骨料填充撑开粗骨料，不能形成特别有效的嵌挤作用。所以VCAmixVCADRC是检验是否有骨架嵌挤作用的必要条件。,我国沥青混合料设计方法马歇尔法,设计原则：以高温稳定性和水稳定性为主，兼顾考虑其它性能参考规范：现行技术规范公路沥青路面施工技术规范（JTG F402004）沥青路面设计规范（JTG D50-2006）,沥青混合料组成设计流程图,我国沥青混合料设计方法,1.设计指标与技术要求2.设计方法与设计步骤,1.设计指标 体积参数指标插图 空隙率（%）矿料间隙率（%）沥青饱和度（%）,1.设计
11、指标性能指标 高温稳定性：马歇尔稳定度(KN)、流值(0.1mm)动稳定度（次/mm）水稳定性：残留稳定度（%）冻融劈裂强度比（%）低温抗裂性：破坏应变（）渗透性：渗水系数（ml/min）,油石比Pa：沥青质量占矿质混合料（集料）质量百分含量沥青混合料沥青质量集料质量PaPi Pa 100,试件的体积参数指标,沥青含量Pb：沥青质量占沥青混合料质量的百分含量沥青混合料质量沥青质量集料质量PbPi100,空隙率VV 毛体积密度 理论密度,试件的体积参数指标,（JTG F402004）计算理论密度的方法,试件的体积参数指标,“BIG BILL”理论密度仪测试条件：振动频率为120rpm 抽真空时间
12、为1525 min 试验水温为室温 老化时间为4h 真空度为97.3kPa 振动模式为顺时针逆时针。,改性沥青混合料：计算普通沥青混合料：真空法实测,普通沥青混合料最大理论密度值,集料计算密度对沥青混合料理论最大密度的影响,沥青混合料密度及理论最大密度对空隙率的影响,假设t2.5，密度s变化0.01，空隙率变化约0.4 密度由2.4122.422，空隙率由3.523.12 假设2.415，t变化0.01，空隙率变化约0.4 理论最大密度t由2.5122.522，空隙率由3.864.24,矿料间隙率VMAVA+VV 沥青饱和度VFA沥青体积百分率VA,试件的体积参数指标,试件的体积参数指标,（J
13、TG F402004）计算矿料间隙率的方法考虑了沥青吸入量VMA计算值降低,技术标准考虑因素,气候分区：高温、低温、降雨量 道路等级：高速公路、一级公路 其它公路 行人道路 交通量：中轻交通 重载交通 沥青混合料类型：密级配AC 半开级配AM 开级配OGFC 间断级配SMA,密级配沥青混凝土马歇尔试验技术指标沥青碎石混合料马歇尔试验配合比设计技术标准SMA混合料马歇尔试验配合比设计技术要求OGFC混合料技术要求,公路沥青路面施工技术规范(JTG F402004),密级配沥青混凝土马歇尔试验技术标准(JTG F402004),沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求(JTG F402004),沥青混合
14、料水稳定性检验技术要求(JTG F402004),沥青混合料低温弯曲试验破坏应变()技术要求(JTG F402004),小梁弯曲试验：试验温度-10 加载速率50mm/min,沥青混合料试件渗水系数（ml/min)技术要求(JTG F402004),沥青混合料组成设计内容,组成材料的选择 配合比设计 性能检验,原材料沥青集料填料其它：抗剥落剂、石灰、纤维,组成材料的的选择,沥青的选择依据：气候条件:温度交通性质:渠化交通、重交通、车速结构层位,沥青路用性能气候分区,集料：粗集料与细集料 粗集料碎石、破碎砾石和矿渣骨架、嵌挤 细集料天然砂、人工砂或石屑填充 表面特征：多棱角、粗糙 洁净、干燥、无
15、风化、不含杂质 级配：级配类型 最大粒径,集料应具备的技术性质,粗集料强度压碎值冲击值、磨耗率坚固性针片状含量吸水率磨光值与沥青的粘附性,细集料坚固性砂当量棱角性,粗集料,宜采用石灰岩进行加工，大型反击式破碎机加工成具有良好的颗粒形状应满足技术指标的要求；,中下面层粗集料规格,细集料,使用石灰岩机制砂，采用专用制砂机制造，机制砂分为三档，有利于级配设计。应注意0.075mm筛孔的通过量。在拌和站采取措施防止细集料受雨淋或受潮，冷料仓开启困难，细集料量数量不准。细集料干燥、加棚十分必要。,机制砂规格,矿粉 石灰岩经磨细得到的矿粉 品质要求：干燥、洁净，细度 用量粉胶比,填料,在中下面层沥青混合料
16、中掺加42.5级普通硅酸盐水泥代替部分矿粉，水泥用量为矿料总量的2%。面层用填料必须采用由石灰石磨细的矿粉。矿粉必须保持干燥，能从石粉仓中自由流出。沥青混凝土拌和站除尘装置回收的粉尘不得作为填料使用。,其它材料 抗剥落剂 石灰、水泥 纤维,目的：选配具有足够密实度、并有较高内摩阻力的矿质混合料设计步骤：1)确定沥青混合料类型 依据：道路等级、路面类型、所处的结构层位 2)确定矿质混合料的级配范围插图 3)矿质混合料配合比设计合成级配插图 合成级配曲线尽量接近设计级配中限（关键筛孔0.075mm、2.36mm、4.75mm）交通量大、轴载重的道路：合成级配接近范围下限 中小交通量或人行道路：合成
17、级配接近范围上限,图解法,步骤马歇尔试验法1)制备试样插图2)测定与计算试件的体积结构参数毛体积密度空隙率VV矿料间隙率 VMA沥青饱和度VFA3)测定试件的力学指标马歇尔稳定度流值4)马歇尔试验结果分析插图,计算各档集料用量根据按矿质混合料配合比 估计适宜沥青用量（或油石比）成型数组马歇尔试件以估计沥青用量为中值，按0.3%0.5%间隔变化,1)制备试样,4)马歇尔试验结果分析,绘制沥青用量与物理力学指标关系图关系图 沥青用量毛体积密度、空隙率、饱和度、矿料空隙率 稳定度、流值 确定最佳沥青用量初始值OAC1插图1 OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4 确定沥青最佳用量初始值OAC2插图
18、3 OAC2=(OACmin+OACmax)/2 确定沥青最佳用量OAC,沥青用量与马歇尔试件物理力学指标关系图,确定最佳沥青用量初始值OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4从图中取相应于：稳定度最大值沥青用量a1密度最大值沥青用量a2目标空隙率（或中值）沥青用量a3沥青饱和度范围的中值沥青用量a4,确定沥青最佳用量初始值OAC2 首先确定各指标均符合技术标准（不含VMA）的沥青用量范围：OACminOACmax,确定沥青最佳用量初始值OAC2=(OACmin+OACmax)/2,OACmax,OACmin,根据OAC1和OAC2综合确定沥青最佳用量OAC,通常情况下：OAC（OAC1OAC
19、2）/2 检验在OAC下，VMA和VV是否符合技术要求 OAC宜位于VMA凹形曲线最小值贫油一侧,对于炎热地区公路、高速公路、一级公路的重载交通路段、山区公路的长大坡度路段、城市快速路、主干路，设计沥青用量 OAC（0.10.5）%空隙率必须符合设计要求范围 对于寒区道路、旅游公路、交通量很少的公路 设计沥青用量OAC（0.10.3）%,设计沥青用量调整,5)配合比设计检验 高温稳定性检验：抗车辙能力检验 水稳定性检验 低温抗裂性能检验 渗水系数检验,我国沥青混合料设计方法 性能检测,层间的要求,沥青路面的设计是在层间完全连续的条件下进行的；中面层施工前，绝对保证下面层顶面干净，没有污染；严禁
20、中央分隔带的填土散落到下面层或摊铺完成的中面层表面；采用改性乳化沥青在下面层顶面洒布粘层。,拉应力曲线,剪应力曲线,结构剪应变横断面图,沥青混合料剪切流变性,建议,合理的结构组合减少层间结合；设置粘层；做好透层和下封层（稀浆封层、单层表处）。,中下面层的级配范围,中下面层沥青混合料的指标要求,配合比设计的建议,可以适当减少4.75mm以下细集料的用量，有利于解决路面压实时的推拥现象；马歇尔试验时，击实的温度一定要保证，否则会造成路面实际空隙率偏低，容易导致路面产生车辙；,保证混合料的VMA值，这样在一定的油石比条件下仍然可以保证混合料空隙率；在不使用天然砂的条件下，级配曲线通过限制区一般不会产
21、生问题；,配合比设计的建议,保证级配的稳定性,料源要固定，不能随意变更；随时检查冷料仓的进料速度，尤其是细集料部分；反复调整冷料的进料速度，尽量避免溢料；拌和站要自动控制，不可手动调整，尤其在有溢料的时候；逐锅在线监测时各筛孔级配允许的波动范围：,4.75mm筛：5%；0.15mm2.36mm筛：3%0.075mm筛：2%油石比：0.3%,橡胶沥青混合料配合比设计,橡胶沥青混合料的室内试验研究,国外橡胶沥青混合料一般采用断级配结构，理论分析和工程实践经验都显示了密实型断级配沥青混合料具有较高的力学强度和良好的路用性能。在经历长时间的实践检验后，橡胶沥青在骨架密实型混合料结构中应用效果较好。在进
22、行橡胶沥青混合料组成设计时也采用密实型断级配混合料，并通过室内试验与连续级配混合料进行比较，从而确定适合于我省实际情况的橡胶沥青混合料级配和油石比范围。,混合料室内试验采用三鑫公司生产的橡胶沥青，同时与兰派橡胶沥青进行对比：从软化点看，三鑫橡胶沥青的高温性能好于兰派橡胶沥青，而从针入度和低温粘度结果看，三鑫橡胶沥青的低温性能略差，二者的高温粘度相差不大。,室内试验所采用的沥青,级配选择,在进行橡胶沥青混合料室内试验时，采用AC-20、AC-16、AC-13混合料，分别选取连续级配（悬浮密实结构）和断级配（骨架密实结构）进行对比试验，重点控制4.75mm筛孔的通过量，从而验证橡胶沥青混合料的性能
23、。,ARAC-20型混合料室内试验所采用的级配表,ARAC-16型混合料室内试验所采用的级配表,ARAC-13型混合料室内试验所采用的级配表,对于AC-13型混合料，选定六种不同级配，将4.75mm筛孔的通过量定在45、40、35、30和25附近，同时变换0.075mm筛孔的通过量，验证不同混合料的性能。级配4和级配5的主要区别在于0.075mm筛孔的通过量不同，主要比较断级配情况下，0.075mm筛孔通过量对混合料性能的影响。,ARAC-20型中粒式沥青混合料马歇尔试验结果,ARAC-16型中粒式沥青混合料马歇尔试验结果,ARAC-13型沥青混合料马歇尔试验结果,从混合料的马歇尔试验结果可以
24、看出：随着混合料最大公称粒径的减小，沥青混合料的最佳油石比呈现增长的趋势，采用连续级配的橡胶沥青混合料的最佳油石比低于断级配混合料，稳定度较高，饱和度较低，而矿料间隙率VMA的数值较小。断级配橡胶沥青混合料的最佳油石比高于SBS改性沥青混合料，而矿料间隙率VMA数值也较大；兰派公司生产的橡胶沥青与三鑫公司的橡胶沥青混合料的技术指标相差不多。由于马歇尔稳定度指标与路面实际受力不符，因此其数值的高低并不能完全反应实际路用性能，因此马歇尔试验只作为混合料体积设计的评价指标，橡胶沥青混合料的路用性能还需要其它指标加以验证。,ARAC-13型沥青混凝土水稳定性试验结果,从试验结果可以看出，无论是连续级配
25、还是断级配，由于混合料室内试验的设计空隙率采用4，空隙率较小，因此混合料的水稳定性较好，马歇尔残留稳定度和冻融劈裂残留强度指标均满足规范的要求，兰派公司橡胶沥青与三鑫公司沥青相差不大，并且与SBS改性沥青相当。,ARAC-20型中粒式沥青混凝土高低温性能试验结果,ARAC-16型中粒式沥青混凝土高低温性能试验结果,ARAC-13型沥青混凝土高低温性能试验结果,ARAC-13型混合料高低温性能对比图,从混合料高低温试验结果可以看出，各种粒径混合料的高温稳定性均较好，车辙试验动稳定度指标总体相差不大，连续级配和断级配混合料基本处于同一水平，同时也与SBS改性沥青混合料相当。但是断级配混合料的低温抗
26、裂性能与连续级配混合料有明显区别，断级配混合料的弯曲破坏应变大大高于连续级配混合料，同时也略高于SBS改性沥青混合料，而ARAC-13级配5和级配6由于矿粉用量较少，油石比较高，因而自由沥青含量较大，导致其高温性能下降较为明显。同等条件下，兰派橡胶沥青与三鑫橡胶沥青混合料高低温指标相差不大。综上所述，兼顾考虑混合料的高低温性能，橡胶沥青混合料应采用断级配结构，现阶段建议橡胶沥青混合料的矿粉用量在4以上，油石比范围6.0%7.0%。,沥青混合料疲劳试验结果,采用沥青混合料马歇尔试件的劈裂疲劳试验进行评价，通过应力水平（劈裂应力/劈裂强度）与疲劳破坏次数的对数（LgN，N-疲劳破坏时加荷次数）关系
27、，以应力水平为纵坐标，以疲劳破坏次数对数为横坐标，建立回归方程。,从上述沥青混合料的疲劳试验结果可以看出，AC-13混合料当采用连续级配时，SBS改性沥青混合料的疲劳性能好于普通沥青混合料，也优于橡胶沥青混合料；当采用断级配时，由于油石比增大，矿料表面油膜厚度较大，其抗疲劳性能大幅度提高。因此，从混合料抗疲劳的角度来说，当采用橡胶沥青作为胶结料时，混合料应采用断级配结构。,橡胶沥青混合料的路用性能指标,橡胶沥青混合料技术指标表,根据上述橡胶沥青沥青混合料的室内试验结果，在现行部颁规范的基础上，对橡胶沥青混合料的一些技术指标进行了调整，以便在实际施工过程中加强对沥青混合料目标配合比和生产配合比的控制。,橡胶沥青混合料矿料间隙率要求表,本部分小结,当橡胶沥青作为胶结料时，混合料应采用密实-骨架结构，级配应采用断级配，可以兼顾提高混合料的高低温性能，混合料抗疲劳性能也大幅度提高。其高温性能与SBS改性沥青相当，低温性能和抗疲劳性能优于SBS改性沥青。从混合料试验结果看，兰派橡胶沥青和三鑫橡胶沥青差别不大。混合料配合比设计时，应提供足够的矿料间隙率以容纳橡胶沥青胶结料。,谢 谢！,
